氮化硼新能源汽車中的應(yīng)用

一、動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠

導(dǎo)熱膠應(yīng)用在動(dòng)力電池組裝中對(duì)提升動(dòng)力電池性能和安全性，在多個(gè)方面發(fā)揮作用。導(dǎo)熱膠的使用目的大體分為四類：(1)固定、(2)傳熱、(3)阻燃、(4)防震，而導(dǎo)熱膠的具體使用形式主要為：(1)墊片、(2)灌封、(3)填充等。

圖1 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池

二、導(dǎo)熱膠的組成與導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱膠主要由EP(環(huán)氧樹脂)、有機(jī)硅橡膠和PU(聚氨酯)等樹脂基體和導(dǎo)熱填料組成。導(dǎo)熱填料的種類、用量、幾何形狀、粒徑、混雜填充和改性等對(duì)導(dǎo)熱膠之導(dǎo)熱性能都有影響。

導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱原理：固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體主要為聲子或者電子(在介電體中，導(dǎo)熱是通過晶格的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，晶格振動(dòng)的能量是量子化的，這種晶格振動(dòng)的量子稱為聲子)。無機(jī)非金屬晶體通過排列整齊的晶粒熱振動(dòng)導(dǎo)熱，通常用聲子的概念來描述；由于非晶體可看成晶粒極細(xì)的晶體，故非晶體導(dǎo)熱也可用聲子的概念進(jìn)行分析，但其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于晶體；大多數(shù)聚合物是飽和體系，無自由電子存在，因此，在膠粘劑中加入高導(dǎo)熱填料是提高其導(dǎo)熱性能的主要方法。導(dǎo)熱填料分散于樹脂基體中，彼此間相互接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使熱量可沿著“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”迅速傳遞，從而達(dá)到提高膠粘劑熱導(dǎo)率的目的，如圖2所示。

圖2填料形成網(wǎng)絡(luò)和沒有形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱示意圖

三、六方氮化硼(h-BN)材料的特性

氮化硼(BN)是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?；瘜W(xué)組成為43.6%的硼(B)和56.4%的氮(BN)，具有四種不同的變體：六方氮化硼（H-BN）如圖3、菱方氮化硼（R-BN）、立方氮化硼（C-BN）和纖鋅礦氮化硼（W-BN）。其中六方氮化硼材料具有：

☆  較高的機(jī)械強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率，

☆  極低的摩擦系數(shù)，

☆  良好的絕緣體，

☆  六方氮化硼可以在空氣中經(jīng)受住800℃的高溫，

☆  六方氮化硼可以制備成類似石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，稱之為“白色石墨烯”，具有類石墨烯的優(yōu)異性能。

因此，六方氮化硼是極佳的導(dǎo)熱膠填充材料，目前被廣泛地應(yīng)用于動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠領(lǐng)域。

四、六方氮化硼導(dǎo)熱膠的應(yīng)用范圍

將六方氮化硼作為導(dǎo)熱膠的填料使用，充分利用六方氮化硼的高熱導(dǎo)率和高絕緣特性。為了適合各種環(huán)境要求，對(duì)可能出現(xiàn)的導(dǎo)熱問題都有妥善的對(duì)策，六方氮化硼導(dǎo)熱膠有非常多的應(yīng)用類型，其在動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠的主要應(yīng)用范圍如下：

1．相變導(dǎo)熱絕緣材料

利用基材的特性，在工作溫度中發(fā)生相變，從而使材料更加貼合接觸表面，同時(shí)也獲得了超低的熱阻，更加順暢的進(jìn)行熱量傳遞，可用于填充模組間隙，向模組外部傳遞熱量。

2．熱傳導(dǎo)膠帶

用在發(fā)熱器件與散熱器之間的粘接，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣和固定的功能，能減小設(shè)備的體積，是降低設(shè)備成本的一項(xiàng)選擇。

3．導(dǎo)熱絕緣彈性橡膠

良好的導(dǎo)熱能力和高等級(jí)的耐壓，符合目前電子行業(yè)對(duì)導(dǎo)熱材料的需求，是替代硅脂導(dǎo)熱膏加云母片的二元散熱系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品。該類產(chǎn)品安裝便捷，利于自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護(hù)，是極具工藝性和實(shí)用性的新型材料。

4．柔性導(dǎo)熱墊

一種有較厚的導(dǎo)熱襯墊，專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)，能夠填充縫隙，完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞，同時(shí)還能起到減震、絕緣、密封等作用，這個(gè)就很適合電池模組內(nèi)部的應(yīng)用。

5．導(dǎo)熱填充劑

也可以作為導(dǎo)熱膠使用，不僅具有導(dǎo)熱的功效，也是粘接、密封灌封材料。通過對(duì)接觸面或罐狀體的填充，傳導(dǎo)發(fā)熱部件的熱量。圓柱電池模組是典型應(yīng)用了。

6．導(dǎo)熱絕緣灌封膠

導(dǎo)熱絕緣灌封膠適用于對(duì)散熱性要求高的電子元器件的灌封。該膠固化后導(dǎo)熱性能好，絕緣性優(yōu)，電氣性能優(yōu)異，粘接性好，表面光澤性好。只是膠用量太大的話，電池包能量密度會(huì)被拉低。

五、影響導(dǎo)熱膠性能的因素

填充型膠粘劑的熱導(dǎo)率主要取決于樹脂基體、導(dǎo)熱填料及兩者形成的界面，而導(dǎo)熱填料的種類、用量、粒徑、幾何形狀，混雜填充及表面改性等因素均會(huì)對(duì)膠粘劑的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響。

1．導(dǎo)熱填料的種類和用量

填料種類和用量均會(huì)對(duì)膠粘劑熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。當(dāng)填料較少時(shí)，填料被基體樹脂完全包裹，絕大多數(shù)填料粒子之間未能直接接觸；此時(shí)，膠粘劑基體成為填料粒子之間的熱流障礙，抑制了填料聲子的傳遞，故不論添加何種填料都不能顯著提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。隨著填料用量的增加，填料在基體中逐漸形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)熱導(dǎo)率迅速增加，并且填充高熱導(dǎo)率填料更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。然而，填料的熱導(dǎo)率過大也不利于體系熱導(dǎo)率的提高。研究表明:當(dāng)填料與基體樹脂的熱導(dǎo)率之比超過100時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高并不顯著。

2．導(dǎo)熱填料的粒徑和幾何形狀

當(dāng)填料用量相同時(shí)，納米粒子比微米粒子更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。納米粒子的量子效應(yīng)使晶界數(shù)目增加，從而使比熱容增大且共價(jià)鍵變成金屬鍵，導(dǎo)熱由分子(或晶格)振動(dòng)變?yōu)樽杂呻娮觽鳠?，故納米粒子的熱導(dǎo)率相對(duì)更高；同時(shí)，納米粒子的粒徑小、數(shù)量多，致使其比表面積較大，在基體中易形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，故有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。對(duì)微米粒子而言，填料用量相同時(shí)大粒徑的導(dǎo)熱填料比表面積較小，不易被膠粘劑包裹，故彼此連接的概率較大(更易形成有效的導(dǎo)熱通路)，有利于膠粘劑熱導(dǎo)率的提高。

當(dāng)填料用量相同時(shí)，不同幾何形狀的同種填料在基體中形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)概率不同，較大長徑比的導(dǎo)熱填料更易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而更有利于提高基體的熱導(dǎo)率。

3．導(dǎo)熱填料的混雜填充

與單一粒徑的填料填充體系相比，不同粒徑大小、同種填料的混雜填充更有利于提高膠粘劑的熱導(dǎo)率。同種填料不同形態(tài)的混雜填充比單一球形填料填充更易獲得高熱導(dǎo)率的膠粘劑。不同種類的填料在適當(dāng)配比時(shí)，混雜填充亦優(yōu)于單一種類填料填充。這歸因于上述混雜填充均較易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，而且混雜填充時(shí)高長徑比粒子易在球形顆粒間起到架橋作用，從而減小了接觸熱阻，進(jìn)而使體系具有相對(duì)更高的熱導(dǎo)率。

4．導(dǎo)熱填料的表面改性

無機(jī)粒子和樹脂基體界面間存在極性差異，致使兩者相容性較差，故填料在樹脂基體中易聚集成團(tuán)(不易分散)。另外，無機(jī)粒子較大的表面張力使其表面較難被樹脂基體所潤濕，相界面間存在空隙及缺陷，從而增大了界面熱阻。因此，對(duì)無機(jī)填料粒子表面進(jìn)行修飾，可改善其分散性、減少界面缺陷、增強(qiáng)界面粘接強(qiáng)度、抑制聲子在界面處的散射和增大聲子的傳播自由程，從而有利于提高體系的熱導(dǎo)率。